关于黑洞的研究方向都有哪些？

Deville

现在世界上,关于黑洞的研究,一般都是在做哪些研究,未解决问题有哪些,特别是关于黑洞吸积盘有哪些方向。
作者：一点资讯

茉莉707

黑洞是一个奇妙的东东。它们是宇宙中最简单（只需要用质量、电荷、角动量三个数字就能描述任何一个黑洞），却又最费解的物体。在此仅按黑洞大小来分类，简单介绍目前黑洞界有待解决的问题。介于黑洞的研究内容和观测手段五花八门种类繁多，如有疏漏还请指正。


（1）超重黑洞（supermassive black holes）：几乎每个星系中央都有一个超重黑洞，大约10^6 - 10^10 M☉（M☉＝1太阳质量）。

第一，这些超重黑洞是怎么形成的？在红移z＝6的地方就已探测到了高达10^9M☉的超重黑洞。说明这些黑洞在宇宙初期迅速就形成了。可它究竟怎么从一片小尘埃在短时间内形成一坨这么大的黑洞？动手一算，就会发现它收集周围质量的速度要超过爱丁顿极限才行（Eddington limit，理论上的收集质量的上限）。肿摸办？目前的几个解决办法：一个是这些超重黑洞是直接从灰尘团坍塌时就已经是较大黑洞了再慢慢收集灰尘进去，另一个是先形成许多小黑洞然后慢慢合并成大黑洞，还有就是千方百计去超过爱丁顿极限。。但都困难重重。

第二，活动星系核（AGN）——吸积盘（accretion disk）、喷流（jet）的形成机制、宽线区（broad line region）的形状等等。它们的几何关系大概如下图：


第三，潮汐撕裂事件（tidal disruption events，TDE），也会造成短期AGN，一个可怜的小胖星（胖了容易被撕裂）离黑洞太近了，然后就被潮汐力给撕裂了。哭。以下NASA图解TDE。


（2）超重双黑洞（supermassive black hole binaries）
洞如其名，是上文提到的超重黑洞，但是有两个。这类双黑洞的存在猜想起源于Begelman, Blandford, Rees 1980。推论过程大概是：既然每个星系都有个超重黑洞在中间，我们又经常看到星系合并，那每次合并，两个星系中间的黑洞就（通过动摩擦力，dynamical friction）掉到新的大星系中间去，变成双黑洞了。可是稍微算一下，你会发现这两个黑洞的环绕轨道缩短到大概1 parsec（秒差距，pc）后，就没有办法再缩短了，这，便是大名鼎鼎的 “最终秒差距问题”（The Final Parsec Problem）。理论上许多人尝试在解决这个问题——比如用很多尘埃、或者让更多恒星进来带走能量。

观测上，大家觉得，那不就是说，到处都是距离1 pc的双黑洞咯？找了很多年，方法包括周期性的光变曲线（periodicity in light curves），形状奇怪的宽线区（perculiar broad emission lines），还有放射线强度比例（H-beta, MgII, CVI emission line ratios）。一些人说找到了：比如Graham++2015，Li++2016（国台＋北大） ，但是让业界全体信服还需时间数据。强调一点，这里找的双黑洞是距离非常近的快要到引力波范围的。距离远的（~kpc）已经找到不少了（那类一般不叫black hole binary，而是叫dual black holes）如下图，因为分的比较开所以好找。

超重双黑洞的合并也可以产生引力波，但LIGO的波段测不到超重双黑洞，所以那要等到2034年以后，欧洲的eLISA（如下图，来源wikipedia）飞上天再说。脉冲星计时阵（Pulsar Timing Array）也可以观测到，但是暂时还在找够脉冲星的阶段，暂时没成果。


（3）中级质量黑洞（intermediate mass black holes）：100－10^6 M☉
中级黑洞。。答主对他们比较无知。。不知道要说什么。。。他们就是，不是很大，也不是很小。。。一个恒星造不出来，所以要两个恒星（或黑洞）撞击合并而成。目前没有任何探测（有一些探测但是还没有完全肯定）。

（4）恒星级黑洞（stellar mass black holes）
同学们都知道它们的存在——大于25M☉的恒星死了就都是这样的黑洞。被研究的恒星级黑洞大都是双星其中的一枚，它和AGN一样也会有吸盘，然后把围绕它的可怜恒星的血一滴滴榨干（如下图）。研究它们也是为了了解吸盘和喷流的机制，和超重黑洞有异曲同工之处。



2016/5/5增补：恒星级黑洞的研究也有助于了解超新星爆炸的机制。目前在观测中有一个空白——恒星爆炸后，形成的中子星，最重是2太阳质量PSR J1614-2230（感谢 @gyroscope@凌晨晓骥纠正，之前写的是1.4），而观测到的最轻的黑洞，只有约4太阳质量。那么从2-4太阳质量之间，究竟是怎么回事呢？恒星爆炸前的质量，以及之后黑洞的质量之间，又有什么联系？

（5）原初黑洞（Primordial black holes）
怎么说呢，做这个的人几乎都是闲来无事、或者喝大了做着玩儿的，自己都不大相信它们的存在。但是相不相信是一回事，有没有可能又是另外一回事了。原初黑洞尚未被证伪，所以做做玩，有益开脑洞，而且说不定真存在呢！

霍金最初在70年代提出银河里可能有原初黑洞，这些黑洞是在宇宙大爆炸物质密度极高时形成的，可以通过霍金辐射来观测到。后来另外一些人开始想，原初黑洞可以是任意大小，又看不到，那不就是完美的暗物质嘛。

不过最小的原初黑洞（存在的话）应该已经霍金辐射毁掉了，打叉叉。其次1-30M☉的也被微引力透镜的观测给排除了（http://arxiv.org/abs/astro-ph/0011506）。大过100M☉的又被排除了，因为它们存在的话就会打乱宽轨双星（wide binary）的轨迹（http://arxiv.org/abs/1406.5169）。所以就剩下30-100M☉的原初黑洞有可能存在了。。。

而LIGO探测到的黑洞大概就是30M☉。。。然后就有人YY了：



（注意paper最后一个人）。

EFLwCYCj

黑洞吸积盘方向没前途

wangtao123

黑洞是计算相对论(numerical relativity)的热门话题，尤其是双黑洞的合并。LIGO小组能根据探测到的引力波信号确定来自双黑洞，并确定双黑洞的质量，自旋，轨道等参数也是得益于计算相对论的发展。

近几年计算相对论在黑洞合并取得的成果有，证实了黑洞合并事件是强引力波源。早期只能模拟最简单的迎面碰撞的双黑洞，结果是只有0.2%的质量变成引力波释放出来。这个一方面数值太小，难以探测，另一方面对更普遍的互相绕转的黑洞无法解释。后来人们通过模拟旋转黑洞的合并，发现最多可以有约10%的质量转化成引力波。而这两次引力波事件各有约5%的质量以引力波的形式释放出来，这也初步证实了计算结果。

还有一个重要预测就是，双黑洞合并时，由于引力波辐射的不对称性，新黑洞可能获得极大的反冲速度，这种现象叫black hole recoil。计算机模拟的反冲速度最高可达5000km/s，足以逃脱星系的引力，变成流浪黑洞。这是广义相对论一个精彩的预测，它证实了引力波不仅可以携带能量，角动量，也可以携带动量。目前天文学家在积极寻找这样的候选天体。

如果你对numerical relativity感兴趣，你可以看看这个网站https://www.black-holes.org/

向往草原403

天体物理里的黑洞和广义相对论里的黑洞是有所区别的。上面提到的研究方向都属于天体物理的范畴。我说几个其他领域中黑洞的研究课题。

1. 信息悖论以及它带出的一系列问题：AdS/CFT, 全息原理，火墙模型，ER＝EPR，量子引力等。
圈内大牛Steven Giddings上个月的脑洞：引力波实验能探测到黑洞的量子效应吗？
http://arxiv.org/abs/1602.03622

2. LHC的量子黑洞。检验TeV尺度的额外维存不存在。

3. 模拟黑洞。大意就是用超音速流体模拟出一个类似有“声学视界”的物体系统(dumb hole)，看有没有对应的霍金辐射。现在好像已经不仅限于dumb hole, 有各种奇怪的物理系统。这个领域是Bill Unruh开创的，他的第一篇论文
Phys. Rev. Lett. 46, 1351 (1981)